微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展1

1、 課程論文課程名稱化學(xué)電源課程屬性選修論文題目微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展姓 名冉永江學(xué) 院材料科學(xué)與工程學(xué)院班 級(jí)09級(jí)應(yīng)用化學(xué)1班學(xué) 號(hào)0914131017評(píng)語：成績?cè)u(píng)閱人微生物燃料電池電極材料的研究進(jìn)展摘要: 微生物燃料電池以微生物為催化劑將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，可用于廢水處理并產(chǎn)生電能，是一種極具應(yīng)用前景的生物電化學(xué)技術(shù) 本文綜述了近年來微生物燃料電池電極材料的制備功能修飾及表面構(gòu)建等研究進(jìn)展，著重介紹了碳基納米材料的微結(jié)構(gòu)與成分對(duì)微生物燃料電池性能的影響，并分析了微生物燃料電池電極材料現(xiàn)存的主要問題，以期不久的將來微生物燃料電池能付之實(shí)用。關(guān)鍵詞：微生物燃料電池、陽極、陰極Abs

2、tract: Microbial fuel cells(MFC) are devices that can directly convert organic chemical energy into electrical energy with microbial as catalysts.MFC are promising bio-electrochemical systems with the potential to degrade organic sewage and produce electricity. This article supplies a critical and c

3、omprehensive review for the electrode material conceming about anode and cathode in MFC，including the fabrications，functional modifications and surface constructions of electrode materials,as well as their applications in MFC.Additionally,the existing problems of electrode materials in current MFC h

4、ave been demonstratrated in order to provide the guidelines for exploring the next-generation electrode materials for MFC。Key words: Microbial fuel cells、anode、cathode一、 前言傳統(tǒng)廢水處理工藝需求能量較高，隨著全球經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展， 能源危機(jī)已成為當(dāng)今國際社會(huì)共同面臨的重大問題。因此，尋求低能耗 、無污染或少污染、經(jīng)濟(jì)效益好的廢水處理工藝是水污染控制領(lǐng)域亟需研究解決的重要課題。微生物燃料電池技術(shù)處理廢水工藝，不但具有無污染、無需能

5、量輸入、操作條件溫和、能直接利用廢水中多種有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)作為原料等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是能夠在降解污染物的同時(shí)產(chǎn)生電能。這種革命性的廢水處理工藝近年來成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。微生物燃料電池是利用微生物的作用進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換(如碳水化合物的代謝或光合作用等)，把呼吸作用產(chǎn)生的電子傳遞到電極上的裝置。在微生物燃料電池中用微生物作生物催化劑，可以在常溫常壓下進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。微生物燃料電池（Microbial FuelCells）又簡稱MFC。二、工作原理附著在陽極端的微生物催化氧化陽極室中的有機(jī)物產(chǎn)生電子和質(zhì)子，電子由外電路傳遞至陰極，質(zhì)子則經(jīng)交換膜到達(dá)陰極室，電子質(zhì)子和電子接受體( 如溶解氧) 在陰極反應(yīng)生

6、成水，電子不斷地定向遷移，產(chǎn)生外電流。三、微生物燃料電池的優(yōu)點(diǎn)可利用生物廢物有機(jī)物發(fā)電，清潔環(huán)保，它能夠直接利用生物廢物和有機(jī)物產(chǎn)生電能，產(chǎn)出的能量可以用作污水處理廠的運(yùn)行，或者在電力市場出售；將底物直接轉(zhuǎn)化為電能，能量轉(zhuǎn)化率高。在厭氧處理過程中，產(chǎn)生的沼氣燃燒發(fā)電時(shí)，以電能輸出的能量至多只能占輸入能量的13。雖然通過熱能形式可以回收一部分能量，但總的效率仍然停留在30。而由于微生物燃料電池的能量轉(zhuǎn)化沒有中間過程，因此能量轉(zhuǎn)化效率相應(yīng)升高，實(shí)際總效率可達(dá)到80；微生物燃料電池并不像常規(guī)的電池那樣，在使用了一定時(shí)間以后需要充電才能繼續(xù)使用。每次利用很短的時(shí)間補(bǔ)充底物微生物燃料電池就可以繼續(xù)工作。

7、污泥產(chǎn)量低，在好氧生物轉(zhuǎn)化過程中，生長率一般估算為049干細(xì)胞gCOD 。由于電能的產(chǎn)生，微生物燃料電池中微生物的生長速率比普通的好氧處理過程相比低很多；簡化了氣體處理過程。一般厭氧處理過程排出的氣體含有高濃度的氮?dú)?、硫化氫和二氧化碳，其次是需要的甲烷或氫氣。微生物燃料電池排出的氣體一般無毒無害，可以直接排放；可節(jié)省曝氣裝置，如果采用單室微生物燃料電池，選用空氣陰極，被動(dòng)通風(fēng)的方式，則不需外加能量用于曝氣。四、影響微生物燃料電池性能的因素MFC輸出功率密度的主要影響因素有反應(yīng)器構(gòu)型、接種物來源、底物種類、質(zhì)子交換膜及電極材料等。電極材料作為微生物催化反應(yīng)界面，其生物相容性、比表面積、導(dǎo)電性及化

8、學(xué)穩(wěn)定性等直接影響微生物在陽極材料上的吸附生長、微生物傳遞電子能力、電極阻抗及陰極氧還原反應(yīng)的速率，而且，作為反應(yīng)器的重要組成部件，電極材料的選擇也決定了污水處理 的成本。因 此，電極材料的設(shè)計(jì)制備和選擇對(duì)優(yōu)化提升MFC的性能至關(guān)重要。五、陽極材料微生物燃料電池中陽極材料的微、納結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)電性將影響微生物向電極傳遞電子的效率，由于微生物直接附著于陽極表面，其生物相容性對(duì)微生物培育生長尤為重要。較復(fù)雜的MFC陽極室環(huán)境要求陽極材料應(yīng)有好的穩(wěn)定性?？傊?，陽極材料應(yīng)具備低電阻、抗腐性、好的生物相容性、高化學(xué)穩(wěn)定性、大比表面積以及適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和韌性。1、傳統(tǒng)碳材料碳紙、碳布、石墨棒、石墨纖維刷及活性

9、碳等碳材料陽極已廣泛應(yīng)用，這些材料價(jià)格低廉，導(dǎo)電性優(yōu)異且耐腐蝕性能佳，微生物在其表面容易附著與生長。其中，碳紙較硬脆，易于連接導(dǎo)線; 碳布孔隙多，較碳紙柔軟，兩者作為平板電極的典型代表，可通過降低陰陽電極間的距離，提高M(jìn)FC 的性能。石墨導(dǎo)電性較好，以石磨棒和石墨氈作電極的對(duì)比研究表明，比表面積越大產(chǎn)電率也越高，Liu和Logan 設(shè)計(jì)的單室空氣陰極 ，以8 支石墨棒作陽極，無防水處理的載鉑碳布為陰極，生活污水為底物，其最大功率密度為26Mw.m-2 ，這是世界上首例用于廢水處理的MFC體系。然而，石墨棒孔隙度和表面積較低會(huì)限制微生物的充分生長。Lovley 等發(fā)現(xiàn)用石墨氈代替石墨棒可較大程度

10、改善MFC性能。此外，石墨顆粒也可作為填充式MFC的反應(yīng)器。Wang等將其用于單室MFC體系，最大輸出功率可達(dá)528Mw.m-2石墨刷以石墨纖維為材料制成，其優(yōu)點(diǎn)是比表面積高和電阻值低。Logan 等在立方形空氣陰極MFC中使用石墨刷為陽極，獲得2400 Mw.m-2的最大輸出功率。2、碳納米管及其復(fù)合物碳納米管有特定孔隙結(jié)構(gòu)、高機(jī)械強(qiáng)度、大比表面積、好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性以及高導(dǎo)電性。碳納米管可增大電極表面積，其一維納米尺度可促進(jìn)細(xì)菌細(xì)胞膜納米纖維的電子傳遞，增強(qiáng)微生物向電極傳輸電子的能力，作為MFC催化劑載體有較好的應(yīng)用前景。碳納米管可有效降低MFC的陽極內(nèi)阻，且碳納米管MFC的最大產(chǎn)電功

11、率密度和庫侖效率均高于活性碳和柔性石墨。多壁碳納米管修飾石墨電極可將MFC 的最大輸出功率提高至2470 Mw.m-23、石墨烯石墨經(jīng)化學(xué)氧化、剝離、還原處理等可形成石墨烯，合成過程不使用毒性金屬催化劑，這為石墨烯用于MFC提供了可能。首次證實(shí)石墨烯氧化物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可促進(jìn)生物電化學(xué)系統(tǒng)中的微生物胞外電子向電極轉(zhuǎn)移，將其應(yīng)用于MFC中，電流密度和功率密度較碳紙電極增加4 倍，使用石墨烯修飾不銹鋼電極， MFC的最大功率密度可達(dá)2668mW.m-2，這歸因于電極面積增大及微生物數(shù)量增多。用化學(xué)法制得多孔石墨烯修飾MFC陽極，其性能優(yōu)于活性碳.六、陰極材料MFC陽極產(chǎn)生的電子通過外電路到達(dá)陰極，與電

12、子受體( 如O2 、鐵氰化鉀等)、 陽極室遷移過來的質(zhì)子在陰極表面發(fā)生還原反應(yīng)。電 子受體在電極的還原速率也是決定MFC輸出功率的重要因素。采用化學(xué)陰極法或生物陰極法，增強(qiáng)催化活性，加快還原反應(yīng)速率是MFC陰極材料的首選方法。目前，MFC陰極材料大多采用性能優(yōu)異的碳載鉑催化劑，但成本較高。因此，尋求高活性的廉價(jià)催化劑仍是MFC陰極的研究重點(diǎn)。1、 貴金屬鉑基催化劑碳材料因其良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，仍是目前 MFC陰極使用最為廣泛的電極材料。但直接使用效果不佳，通?？稍?碳紙、碳布、碳?xì)只蚴咨县?fù)載高活性貴金屬鉑。然而，鉑金屬的昂貴價(jià)格限制了其在MFC中的應(yīng)用，降低鉑用量或提高

13、單位面積鉑的催化活性是降低成本的重要技術(shù)問題。科學(xué)家等發(fā)現(xiàn)負(fù)載于陰極電極上的鉑催化劑用量在0.1到0.2mg.cm-2范圍的變動(dòng)并沒有顯著影響其催化活性.另一研究表明，增大鉑納米粒子表面積/體積比并使其均勻分散于CNT表面，鉑催化活性可增大4 倍.2、 非貴金屬氧化物催化劑近年， Morris等首次報(bào)道以PbO2取代鉑陰極催化劑，電池最大輸出功率密度可提高2至4倍，成本降低2至17 倍，但PbO2 陰極的鉛滲漏及其對(duì)環(huán)境的毒化限制了其廣泛應(yīng)用。Roche等由旋轉(zhuǎn)圓盤電極測試發(fā)現(xiàn)碳載氧化錳(MnOx/C ) 在中性介質(zhì)溶液可取代鉑催化劑，且摻雜Ni、Mg金屬離子可進(jìn)一步提高M(jìn)nOx/C催化劑的氧

14、還原性能。3、 過渡金屬大環(huán)類催化劑1964年， Jasinski等首次報(bào)道過渡金屬卟啉和酞菁化合物對(duì)氧氣的電化學(xué)還原呈現(xiàn)出極好的電催化活性，適宜作燃料電池的陰極催化劑過渡金屬大環(huán)化合物有大共軛結(jié)構(gòu)和較高化學(xué)穩(wěn)定性，是氧還原極佳的電催化劑。通?？蓪⑦^渡金屬大環(huán)化合物吸附于碳載體上高溫裂解，其 大環(huán)化合物芳環(huán)、殘留的N與吸附于碳載體表面的過渡金屬相互作用，并形成MN4C結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)被預(yù)測為電催化活性中心。金屬酞菁化合物的中心 離 子 通 常 為 Fe、Co、Ni、Mn等，其 中 以Fe和Co 的配合物呈現(xiàn)較高的氧還原催化活性。七、展望MFC因其自身的優(yōu)點(diǎn)，近年來已引起廣泛關(guān)注，但其輸出功率密度仍

15、遠(yuǎn)不能滿足實(shí)用需求，今后應(yīng)注重設(shè)計(jì)和研發(fā)高性能的電極材料 ，提高M(jìn)FC的產(chǎn)電性能 。陽極既作產(chǎn)電微生物附著載體，又可使電子從微生物向陽極快速傳遞，解析材料表面的微生物產(chǎn)電特性及電池穩(wěn)定運(yùn)行機(jī)理，對(duì)提高M(jìn)FC產(chǎn)電能力具有十分重要的意義。而MFC陰極材料則側(cè)重提高單位面積催化劑活性、降低Pt用量，以金屬氧化物及過渡金屬大環(huán)化合物替代PT/C的空氣陰極，改進(jìn)復(fù)雜的制備工藝. MFC的研制雖還處在起步階段，但隨著電化學(xué)材料學(xué)及微生物學(xué)的發(fā)展，在不久的將來有望付之實(shí)用。參考文獻(xiàn)：1、微生物燃料電池電極材料研究進(jìn)展，次素琴，吳 娜，溫珍海，李景虹，電化學(xué)，第 18卷 第 3期。2012年6月 2、微生物燃料電池及其應(yīng)用研究進(jìn)展，馮岑岑 沈錦優(yōu) 王連軍，南京理工大學(xué)化工學(xué)院, 南京2100943、微生物燃料電池陽極特性